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| Bild 1: ColVisTec Messsonde integriert im Extruder (s. Markierung) - Bild mit freundlicher Genehmigung durch die KraussMaffei Extrusion GmbH |
Für eine datengestützte Prozesskontrolle und -optimierung bedarf es vor allem eines: viele und lückenlose Daten. Während viele Prozessdaten der Extrusion automatisch und in Echtzeit geliefert werden, klafft bei den Produktbezogenen Daten häufig eine Lücke. Diese werden aufwendig durch Probeentnahme und Laborkontrollen erzeugt und sind damit nicht kontinuierlich und vor allen Dingen nicht 24/7 verfügbar. Die Labore arbeiten unter anderem mit Spektrometern, allerdings off-spec – also mit erkalteten und ausgehärteten Proben (Spritzguss Proben) und somit mit einem erhebliche Zeitversatz von bis zu mehreren Stunden, während die Produktion mit teils großem Materialausstoß weiterläuft. (Bild 1)
Dieser Zustand macht eine kontinuierliche Prozess. und Qualitätskontrolle unmöglich und versperrt den Weg zur Digitalisierung und KI-gestützter Datenauswertung. Außerdem führt die diskontinuierliche Überprüfung zu Lücken in der Kontrolle und zu Zeitverzug. Dieses kann zu erheblichem Ausschuss und dem „Übersehen“ von kurzzeitigen Ereignissen im Extruder führen und damit zu erhöhtem Kosten- und Zeitaufwand – sehr oft auch zu Rejects, gepaart mit erheblichem Imageschaden.
Der Grund für diese Lücke liegt in den extremen Bedingungen, die in einem Extruder herrschen und der Einsatz von konventioneller Spektroskopie scheitert. Hohe Temperaturen und Drücke sind Prozessanforderungen, in der herkömmliche faseroptische Sonden nicht funktionieren.
Die ColVisTec AG aus Berlin hat sich zur Aufgabe gemacht, den Extrusionsprozess von der Produktseite aus transparent zu machen und hierfür die entsprechende, auf Spektroskopie basierende Inline-Technologie entwickelt. Diese wird kombiniert mit speziellen faseroptischen Sonden mit einem Saphir als Fenster in den Extruder, die für die Bedingungen in den allermeisten Extrudern ausgelegt sind – sie widerstehen Temperaturen bis 400 °C undmaximal 250 bar Druck. Die UV/Vis-, NIR- und Raman-Inline Spektrometer von ColVisTec bringen damit Licht ins Dunkel der Extrusionsprozesse und machen Verborgenes sichtbar – erzeugen damit 100 Prozent Sicherheit und Kontrolle im laufenden Prozess. (Bild 2)
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| Bild 2: Echtzeit Trenddiagramm Rezepturwechsel |
Egal ob klassisches Polymer Compounding, Recycling (mechanisch, chemisch), reaktive Extrusion oder HotMelt Extrusion – die Inline-Spektroskopie in der Polymerschmelze bietet Echtzeit-Daten und sofortige Visualisierung, basierend auf dem aktuell verarbeiteten Produkt.
Je nach Spektroskopie-Methode erhält der Anwender kontinuierliche Informationen über das Produkt, wie Farbe, Additivgehalt und Vergilbung/ Degradation (mit UV/Vis), Restfeuchte der Schmelze und Detektion von Fremdpolymer und deren Anteile in der Schmelze (mit NIR), Fingerabdruck der Rezeptur, Polymeranteil und Strukturbeschaffenheit wie zum Beispiel kristallin oder amorph (mit Raman) u. a. Zwei Messmethoden können mit den faseroptischen Sonden realisiert werden: Reflexion für opake und Transmission für transparente Medien. Für die klassische Farbmessung direkt in der Polymerschmelze erfolgt die Darstellung mit dem UV/Vis Spektrometer in den bekannten CIE-Farbwerten: L*, a*, b*, C*, h, dE* und vielen Indizes wie zum Beispiel Gelbgrad (YI), Weißgrad (WI) oder für den UV-Anteil mit Wellenlängenbereichen mit der jeweiligen Charakteristik beispielsweise ein Additiv als Peak oder Flanke. Eine besondere Anwendung stellt die Messung von tiefschwarzen Polymerschmelzen dar, für die ColVisTec eine besondere Optik einsetzt. Diese erlaubt sichere und verlässliche Messungen, auch in sehr dunklen und schwarzen Polymerschmelzen. Die zu messenden Materialien können in den klassischen Batch und kontinuierlichen Mischprozessen in flüssiger, pastöser, pulveriger oder geschmolzener Form vorliegen, unterschiedlich ausgeführte Sonden erlauben die Inline-Messungen.
Neben der permanenten Kontrolle des Ist-Zustandes der laufenden Produktion und der Möglichkeit der sofortigen Reaktion, bietet die Inline-Spektroskopie in der Extrusion eine Reihe zusätzlicher Vorteile und Möglichkeiten. Durch die permanente Datenlieferung werden Schwankungen im Prozess sofort detektiert und angezeigt, die zum Beispielverursacht durch Dosier-Schwankungen und -Ausfälle oder Veränderungen, die im Schmelze-Filter oder durch die eingesetzten Rohstoffe verursacht werden. Damit verfügt der Anwender über eine lückenlose 24/7 Dokumentation seines Prozesses und der Produktqualität. Diese kann jederzeit ausgewertet, analysiert und auch mit den Kunden kommuniziert werden, sozusagen als lückenloser Produktionsreport für das gelieferte Material. Damit sind Reklamationen/ Rejects von vornherein ausgeschlossen.
Die sofortige Rückmeldung des Spektrometers ermöglicht dem Anwender nicht nur eine Echtzeit-Kontrolle des Prozesses und der Qualität, sondern auch den Prozess zu optimieren und kritische Parameter wie Drehzahl und Durchsatz zu definieren und anzupassen. Rezepturen können leichter und schneller optimiert werden, Farbwechsel können klar und eindeutig detektiert werden. Hierfür besitzt das System Zusatzfunktionen, die zum Einsatz kommen, zum Beispiel die hochaufgelöste Messung der Verweilzeitverteilung und die sofortige Analyse mit Software- Tools wie ReTA (Residence Time Analysis) und RTM (Residence Time Measurement). Dabei entfallen das aufwendige Sammeln und Analyse von Mustern. Nach der automatisierten Messung sind drei Mausklicks nötig, um das komplette Ergebnis zu berechnen und grafisch darzustellen. Damit sind Charakterisierung des Extruders, die Optimierung der Schnecken-Konfiguration sowie die Definition von Prozessfenstern für Drehzahl und Durchsatz einfach möglich und garantiert damit immer ein sehr gut dispergiertes und homogenes Material. Kurz: Der Zusammenhang von Aktion und Reaktion wird in Echtzeit transparent gemacht und Zeit und Kosten eingespart.
Die ColVisTec Inline-Technologie schließt gleich drei Datenlücken: • Echtzeit-Daten, • Daten über Entwicklungen im Prozess, • Daten über Aktion-Reaktion-Zusammenhänge, und macht den Extruder damit fit für eine umfassende Digitalisierung. Diese Technologie ist modular aufgebaut und kann in alle neuen- und bereits existierenden Extruder (Ein-, Doppel-, Multischnecken, Kneter etc.) problemlos integriert werden. Es wird lediglich ein Zugang für die Sonden benötigt, in der bekannten Variante ½“-20UNF (typ. Dynisco). Distanzen zwischen Spektrometer und dem Messort im Extruder können bis zu 100 Meter betragen. Dieses ermöglicht auch bei großen Anlagen die Messung an zwei Messpunkten mit einem UV/Vis Inline Spektrometer oder die parallele Überwachung von zwei Extruder Linien mit einem UV/Vis Spektrometer.
